冰箱用壓縮機(jī)變工況運行的熱力性能實驗研究

王曉燕，沈 希，翁孟超

（1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江金華321004；2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

冰箱用壓縮機(jī)變工況運行的熱力性能實驗研究

王曉燕1，沈 希2，翁孟超1

（1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江金華321004；2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

采用實驗的方法，以R600a為工質(zhì)，吸排氣壓力為自變量，分析了吸排氣壓力對往復(fù)壓縮機(jī)的熱力性能影響。實驗結(jié)果表明：在其他參數(shù)不變時，提高吸氣壓力使制冷量和功耗增加，但因制冷量增幅比功耗增幅大，故性能系數(shù)COP增加；提高排氣壓力造成壓縮機(jī)制冷量降低，功耗反而增大，COP顯著降低，排氣溫度先降低后升高，運行經(jīng)濟(jì)性變差。

往復(fù)壓縮機(jī)；變工況；計算模型；熱力性能

1 引言

壓縮機(jī)是電冰箱的核心部件和動力源，能耗占家用冰箱總能耗的80%以上，其熱力性能的好壞直接關(guān)系到整個冰箱性能的優(yōu)劣，因而全面、透徹地分析壓縮機(jī)熱力性能是電冰箱節(jié)能的關(guān)鍵[1-3]。但因受其周圍環(huán)境等因素影響，使之在實際運行時偏離額定狀態(tài)點，處于變工況運行，其工作狀態(tài)大幅度變化，且常處于瞬變溫壓、油氣混合等狀況，因此對其研究顯得尤為困難和復(fù)雜[4]。目前，部分學(xué)者在制冷壓縮機(jī)計算模型和性能仿真實驗方面開展了一些研究[5-8]，得出了一些有益結(jié)論，為繼續(xù)開展變工況研究提供了理論依據(jù)。文章在前期工作基礎(chǔ)上，依據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)理論，建立了往復(fù)式制冷壓縮機(jī)控制容積計算模型，采用“第二制冷劑量熱器法”，研究吸排氣壓力對冰箱用往復(fù)壓縮機(jī)制冷量、功率消耗、性能系數(shù)（COP）以及排氣溫度等參數(shù)的影響。

2 壓縮機(jī)熱力計算模型

目前全封閉往復(fù)式制冷壓縮機(jī)在冰箱應(yīng)用中占主導(dǎo)地位[9]，活塞的往復(fù)運動是一個涉及多門類多學(xué)科（包括動力學(xué)、熱力學(xué)等）的復(fù)雜運動。為了研究方便，取氣缸壁、活塞頂部及氣缸蓋所構(gòu)成的空間為壓縮機(jī)控制容積，建立其控制容積示意圖，如圖1所示。圖中dmi、dmo分別為吸、排氣工質(zhì)質(zhì)量變化量，dqc、dwc分別為通過控制容積壁面?zhèn)鹘o氣缸內(nèi)氣體的熱量和對控制容積內(nèi)氣體所做的功量變化量；vs、hs、ps、tsc為進(jìn)氣腔內(nèi)氣體的比容、比焓、壓力、溫度；vd、hd、pd、td為排氣腔內(nèi)氣體的比容、比焓、壓力、溫度；pc、tc、mc、hc、uc為控制容積內(nèi)氣體的壓力、溫度、質(zhì)量、比焓、比內(nèi)能。

可通過能量和質(zhì)量守恒定律以及氣態(tài)狀態(tài)方程來描述工質(zhì)在壓縮機(jī)氣缸控制容積內(nèi)的狀態(tài)變化規(guī)律。依據(jù)熱力學(xué)第一定律，規(guī)定外界對控制容積內(nèi)工質(zhì)做功為正，不考慮吸排氣閥內(nèi)和氣閥通道內(nèi)的氣流脈動，不計進(jìn)、出控制容積氣體的動能和勢能，視工質(zhì)進(jìn)出壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的流動為一維穩(wěn)定絕熱流動，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變，可推導(dǎo)得到控制容積內(nèi)的氣體壓力變化率為

式中 θ——曲柄的旋轉(zhuǎn)角度，rad

Vc——控制容積體積，m3

控制容積內(nèi)的溫度變化率為

不考慮往復(fù)式制冷壓縮機(jī)內(nèi)工質(zhì)的泄漏，壓縮機(jī)各控制容積內(nèi)的質(zhì)量守恒關(guān)系式可表達(dá)為

本文冰箱用制冷壓縮機(jī)采用的工質(zhì)為新型碳?xì)浠衔颮600a（異丁烷），文獻(xiàn)指出馬丁-候方程能準(zhǔn)確反映其熱力性質(zhì)，其表達(dá)式[10]為

式中 p——壓力，MPa

R——氣體常數(shù)

t——溫度，℃

v——比容，m3/kg

b——常數(shù)

Ai、Bi、Ci（i=2～5）——常系數(shù)

K——絕熱指數(shù)

tc——臨界溫度，℃

壓縮機(jī)的排氣溫度可用該公式計算

式中 Ts，Td——壓縮機(jī)的進(jìn)排氣溫度，K

m——壓縮過程中的溫度多變指數(shù)，取1.15

3 實驗裝置及結(jié)果分析

3.1 實驗裝置

采用“第二制冷劑量熱器法”進(jìn)行性能實驗，被測制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。在正常情況下，壓縮機(jī)處于額定運行，但只要流程工藝參數(shù)變化引起過冷溫度、吸氣壓力和排氣壓力中的其一發(fā)生改變，使其偏離額定工況，壓縮機(jī)即處于變工況運行。本文僅對壓縮機(jī)吸排氣壓力與其主要熱力性能參數(shù)之間的定量關(guān)系開展實驗研究。其中，壓縮機(jī)吸氣壓力通過膨脹閥調(diào)節(jié)，排氣壓力通過冷凝器的輔助制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制。實驗采用工控機(jī)控制，壓縮機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，工控機(jī)每間隔20 min自動記錄一次數(shù)據(jù)，每種工況測試200 min，總共記錄10次，以最后4次記錄結(jié)果的平均值作為輸出數(shù)據(jù)。本次實驗采用加西貝拉公司生產(chǎn)的型號為NS1112冰箱用往復(fù)壓縮機(jī)，制冷劑為異丁烷R600a，實驗依據(jù)GB/T5773-2004，吸氣溫度、過冷溫度和環(huán)境溫度均為32.2℃，分別以吸、排氣壓力為自變量（在國標(biāo)工況作大幅度變化），制冷量、功耗等主要熱力性能參數(shù)為因變量開展實驗。

3.2 吸氣壓力對往復(fù)壓縮機(jī)的熱力性能影響

標(biāo)準(zhǔn)工況下，其他參數(shù)不變時，選取0.03743 MPa、0.04243 MPa、 0.04743 MPa、 0.05243 MPa、0.05743 MPa、 0.06243 MPa、 0.06743 MPa、0.07243 MPa、 0.07743 MPa、 0.08243 MPa、0.08743 MPa、0.09243 MPa（均為表壓）共12個吸氣壓力值在3個不同排氣壓力0.5613 MPa、0.6613 MPa、0.7613 MPa（均為表壓）下進(jìn)行實驗。吸氣壓力對往復(fù)式壓縮機(jī)的熱力性能影響如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)壓縮機(jī)其他工況不變時，其主要熱力性能制冷量、功率消耗和性能系數(shù)COP隨著吸氣壓力的增大而增大，它們之間存在著較好的線性關(guān)系；同時，吸氣壓力的增加也同樣引起了其排氣溫度的升高，雖然各條曲線斜率不同，但總體變化趨勢一致。

當(dāng)排氣壓力pd一定時，由氣體狀態(tài)方程可知，因pV/T=c，假設(shè)吸氣溫度Ts保持恒定，而吸氣壓力ps升高，則壓縮機(jī)吸入的氣體分子體積Vs減小，單位容積的氣體質(zhì)量增大，即壓縮機(jī)實際吸入的氣體質(zhì)量流量增加，如果將其換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，排氣量Vd會相應(yīng)增大，壓縮機(jī)制冷量也會相應(yīng)增加。指示功率pi和摩擦功率pm之和構(gòu)成了壓縮機(jī)輸入功率，文獻(xiàn)[4]中指出，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，摩擦功率pm與壓縮機(jī)的運行工況幾乎無關(guān)，而壓縮機(jī)的吸氣壓力ps、壓縮比ε以及容積系數(shù)λv決定了指示功率的大小。在排氣壓力pd一定時，隨著吸氣壓力ps的升高，壓縮比ε=pd/ps減小。根據(jù)經(jīng)驗公式知，λv增大，pi亦增大，故壓縮機(jī)輸入功率即功耗增加。又因壓縮機(jī)制冷量增加的幅度比壓縮機(jī)功耗增加的幅度要大，因此其比值COP仍然是增加的。排氣溫度隨著吸氣壓力的增加而增加，與前面3種熱力性能參數(shù)不同的是，排氣溫度增加的趨勢是先平緩增加，后溫度變化斜率增大，最后又趨于平緩近乎不變的一種變化趨勢。該實測值與排氣溫度Td=Ts（pd/ps）(m-1)/m計算值相差較大的主要原因是計算值得出的是壓縮機(jī)內(nèi)部壓縮機(jī)排氣腔內(nèi)的實際制冷劑溫度值，而實驗測試值是按照GB/T5773-2004，測試位置距排氣口20 cm處，故造成實測值與計算值之間存在一定誤差，但總體變化趨勢大致相同。

另外，從圖中可看出，在0.5613 MPa、0.6613 MPa、0.7613 MPa 3種不同的排氣壓力下，隨著吸氣壓力的升高，壓縮機(jī)制冷量逐漸增大，曲線斜率近似相等；功耗和性能系數(shù)COP的曲線也近似平行。這表明，在不同排氣壓力下，吸氣壓力對壓縮機(jī)熱力性能（制冷量、功耗和COP）影響變化趨勢類似?？梢姡岣呶鼩鈮毫s可改善往復(fù)壓縮機(jī)的制冷系能，其運行經(jīng)濟(jì)性在一定程度得到了提高。

3.3 排氣壓力對往復(fù)壓縮機(jī)的熱力性能影響

在吸氣壓力和吸氣溫度不變時，吸氣壓力在0.03743 MPa、0.06243 MPa、0.08743 MPa（均為表壓）時，排氣壓力的變化時對往復(fù)式制冷壓縮機(jī)熱力性能影響如圖4所示。

圖4表明，在其他參數(shù)保持不變時，隨著排氣壓力的升高，壓縮機(jī)的制冷量降低，功耗增大，COP減小，排氣溫度先減小后增大并逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為當(dāng)吸氣壓力ps不變時，排氣壓力pd升高，壓縮比ε增大，容積系數(shù)λv減小，使其活塞有效行程減少，排氣量下降，導(dǎo)致單位質(zhì)量制冷量下降，所以總制冷量降低。同時指示功率pi增加，壓縮機(jī)軸功率增加，即功耗增大，故制冷量與壓縮機(jī)功耗比值COP減小。同時排氣壓力過高，容易造成排氣溫度過高，對壓縮機(jī)運行不利，這一點不容忽視。

另外，當(dāng)吸氣壓力ps不同時，隨著排氣壓力pd的變化，壓縮機(jī)的主要熱力性能（制冷量、功率消耗及COP）以及排氣溫度變化的曲線近乎平行。這也表明，在不同的吸氣壓力ps工況條件下，提高排氣壓力pd對各壓縮機(jī)熱力性能影響類似。

4 結(jié)論

（1）在其它條件保持不變前提下，提高吸氣壓力ps，可增大壓縮機(jī)的制冷量和功率消耗，但因其制冷量增大的幅度高于功率消耗增大的幅度，故性能系數(shù)COP也近似成線性增加。在壓縮機(jī)實際運行中，吸氣壓力不能無限制的提高，它受冰箱使用條件制約。

（2）當(dāng)壓縮機(jī)吸氣壓力ps一定時，其主要熱力性能制冷量隨著pd的升高而降低，功耗反而增加，性能系數(shù)COP顯著減小，其運行經(jīng)濟(jì)性變差。另外，當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力pd升高時，壓縮機(jī)的排氣溫度也隨之升高，使其潤滑條件變差，對壓縮機(jī)工作不利，需要引起注意。

（3）提高壓縮機(jī)制冷量以及降低功率消耗最有效的措施是提高其吸氣壓力而降低其排氣壓力，即降低壓縮比。其中以提高吸氣壓力對壓縮機(jī)制冷量的影響最為顯著，隨著吸氣壓力的提高，壓縮機(jī)制冷量增大幅度上升，并且基本成線性關(guān)系。

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Experimental Study on Thermodynamic Performance of Refrigerator Compressor Running at Variable Condition

WANG Xiao-yan1,SHEN Xi2,WENG Meng-chao1
(1.College of Engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China;2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

The paper adopts the method of experiment,the reciprocating compressor takes R600a as the refrigerant and suction and discharge pressure as the independent variable,analyses the impact of suction and discharge pressure on the thermodynamic performance.The experiment result shows that elevation of suction will increase the refrigeration capacity and power consumption with other parameters unchanged,but the growth range of refrigeration capacity is greater than power consumption,so coefficient of performance (COP)increases.The increasing of discharge pressure will make the refrigeration capacity of compressor reduce,power consumption increase,coefficient of performance(COP)significantly reduce,the discharge temperature reduce at first and rise afterwards, and this will make the operational efficiency of reciprocating compressor worse.

reciprocating compressor;variable condition;calculation model;thermodynamic performance

TH457

A

1006-2971（2015）06-0012-05

王曉燕（1981-），女，浙江師范大學(xué)工學(xué)院講師，碩士，主要從事制冷技術(shù)的教學(xué)與研究工作。

2015-08-31

浙江省教育廳一般項目（Y201225635）